Come costruire un laser a buco nero

Una delle scoperte più affascinanti della fisica teorica degli ultimi anni è l'analogia matematica formale tra il modo in cui lo spaziotempo e alcuni materiali influenzano la luce.

I fisici hanno usato questa idea per mostrare come costruire buchi neri usando i cosiddetti metamateriali che guidano la luce in modi esotici. In effetti, i fisici cinesi hanno costruito proprio un simile buco nero artificiale nel 2009.

L'analogia può essere portata anche oltre. Non solo è possibile creare buchi neri in questo modo, ma anche i loro equivalenti invertiti nel tempo: buchi bianchi. Inoltre, entrambi questi buchi bianchi e neri dovrebbero produrre radiazioni di Hawking. Questa è l'emissione spontanea di radiazioni nel punto di non ritorno di un buco, chiamato il suo orizzonte degli eventi.

Questa emissione spontanea di radiazioni è un fenomeno curioso e complesso. Nessuno ha osservato la radiazione di Hawking né dai buchi neri astrofisici né da quelli di laboratorio (sebbene ci siano una o due affermazioni attualmente in discussione). Ma pochi fisici dubitano della sua esistenza.

Quindi, se la radiazione di Hawking esiste davvero, cosa potremmo farci? Oggi riceviamo una risposta da Daniele Faccio della Heriot-Watt University in Scozia e da alcuni amici. Questi ragazzi spiegano come utilizzare questa emissione spontanea di radiazioni per realizzare un laser.

La loro idea è quella di creare un buco nero accanto a un buco bianco in modo che i loro orizzonti degli eventi siano separati solo di poche centinaia di micrometri e creino una piccola cavità. Quindi mostrano che quando la luce viene sparata in questa cavità, viene riflessa dall'orizzonte del buco bianco sull'orizzonte del buco nero, di nuovo sul bianco e così via.

Faccio e compagni proseguono dimostrando che durante ogni riflessione, la radiazione di Hawking si aggiunge efficacemente al raggio, amplificandolo. Dicono che questo processo additivo sia logaritmico, quindi un piccolo seme di luce finisce per produrre un intenso raggio di radiazione.

Il loro vero trionfo, tuttavia, sta nel mostrare come un tale dispositivo potrebbe essere realizzato in laboratorio. Sottolineano che l'indice di rifrazione di alcuni materiali dipende dall'intensità della luce al loro interno. Quindi la luce stessa cambia l'indice di rifrazione.

Ciò significa che un raggio molto intenso può creare un enorme gradiente nell'indice di rifrazione. Questo gradiente può essere così ripido da comportarsi come un orizzonte degli eventi. Infatti, un singolo impulso può creare un orizzonte di buco nero al suo bordo d'attacco e un orizzonte di buco bianco al suo bordo d'uscita.

Questa è esattamente la condizione che questi ragazzi stanno cercando. Continuano dicendo che dovrebbe essere possibile farlo in guide d'onda ottiche fatte di diamante. Hanno testato l'idea numericamente e dicono che funziona come previsto.

Faccio e compagni sono pronti a sottolineare che è possibile far crescere un diamante in più o meno qualsiasi forma, quindi dovrebbe essere possibile testare questa idea in laboratorio ora. Ciò sembrerebbe quindi indicare che questo tipo di nuovo processo di amplificazione potrebbe essere osservato in contesti reali, affermano.

Sarebbe un esperimento straordinario: un laser a buco nero in un laboratorio. Fresco!

Rif: arxiv.org/abs/1209.4993 : Laser ottici a buco nero

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